Устройство для вычисления показателя экспоненциальной функции

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК ЗОБР ЕТЕЛЬСТВ ТЕНИЯ СА МгЮЙ,СРь уддественный кОмитет сссрделды ИЗОБретений и Открытий И АВТОРСНОМУ С(71) Институт электродинамикиАН Украинской ССР(56) 1, Патент ФРГ й 2206967,кл, С 06 С 7/24, опублик. 1974.2, Авторское свидетельство СИ 824230, кл. С 06 С 7/24, 1981(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫЧИСЛЕНИЯПОКАЗАТЕЛЯ ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНОЙ ФУНКЦИИ,содержащее первый и второй пороговыеэлементы, первый к 5-триггер, причемпервые входы первого и второго поро"говых элементов соединены с информационным входом устройства, второйвход первого порогового элементасоединен. со входом первого эталонного напряжения устройства, вход второго эталонного напряжения которогосоединен с вторым входом второго порогового элемента, о т л и ч а ю "щ е е с я тем, что, с целью расширения области применения устройстваза счет увеличения диапазона изме"нения показателя степени, в него введены первый и второй генераторы оди"ночных импульсов, второй В 5-триггер,три элемента И, счетчик, блок индикации, два сумматора, два регистрасдвига и блок управления, содержащийгенератор импульсов, распределительимпульсов, элемент задержки, два клю"ча, коммутатор, два элемента ИЛИ,последовательную схему сравненияи два элемента И, выход генератораимпульсов соединен со входом распре 801043677с 06 с 7/24; с 06 Р 7/Б делителя импульсов, выходы с первого по и-й которого,где и-разрядность регистров сдвига, соединены с информационными входами коммутатора, управляющий вход которого соединен с входом кода останова блока, выходы коммутатора через первый элемент ИЛИ соединены с первым информацион" ным входом последовательной схемы сравнения, тактовый вход и вход сбро са которой соединены соответственно с выходом элемента задержки и выходом генератора импульсов, .и-й выход распределителя импульсов соединен с первыми входами первого и второго элементов И, вторые входы которых соединены с выходами соответст" венно равенства и превышения эталонного кода последовательнойсхемы сравнения выходы первого и второго элементов И соединены с первым и вторым .входами второго элемента ИЛИ, третий вход которого соединен с выходом первого ключа, информационный вход которого соединен с выходом генератора импульсов, выход элемента задержки соединен с информационным входом второго ключа, управляющие входы ключей соединены с входом задания режима блока управления, причем выход первого ключа блока управления соединен с тактовым входами первого и второго генераторов одиночных, импульсов, входы запуска которых соединены с выходами соответственно первого и второго пороговых элементов, выходы генераторов одиночных импульсов соединены с 5-выходами соответствующих В 5"триг геров, В-выходы которых соединены с выходом второго элемента ИЛИ блока1043677 управления, выход первого разрядараспределителя импульсов которого соединен с первыми входами первого ивторого элементов И, вторые входы которых соединены соответственно с инверсным и прямым выходами второгой 5-триггера, инверсный и прямой выходы первого Ю-триггера соединенысоответственно с управляющими входа"ми регистров сдвига и третьим входом первого элемента И, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, выход котороРо соединен с информационным входом первогорегистра сдвига и первым входом третьего элемента И, второй вход и выход которого соединены соответствен-,но с прямым выходом второго Й 5-тряг" 1Изобретение относится к вычисли" тельной технике и может быть использовано в различных областях техники и промышленности при исследовании процессов различной физической природы, которые описываются экспоненциальной функцией.Известно устройство для вычисле" ния показателя экспоненциальной функции, содержащее блок логарифми" 1 О рования, схему сравнения, цифроаналоговый преобразователь, счетчик, управляемые ключи, генератор тактовых импульсов 1 .ьНедостатком этого устройства яв ляется низкая точность, обусловленная аппаратурными погрешностями ло" гарифмирования.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является 20 устройство для вычисления показателя экспоненциальной функции, содержащее первый и второй пороговые эле" менты, первые входы которых соединены с информационным входом устрой ства вторые входы - с шинами соот" ветственно первого и второго эталонного напряжения, выходы пороговых элементов содеинены с входами триггера, выход которого соединен с Зо управляющим входом ключа, аналогоцифровые преобразователи, интегратор,блок вычитания и блок деления герр и первым входом второго сумматора, выход которого, соединен синформационным входом второго регистра сдвига и вторым информационнымвходом последовательной схемы сравнения блока управления, выходы второго ключа и генератора импульсовкоторого соединены соответственнос установочным входом счетчика и входами синхронизации первого и второго регистров сдвига, выходы и установочные входы которых соединенысоответственно с вторыми входамисоответствующих сумматоров и входомлогического нуля устройства, выходвторого элемента И соединен со счетным входом счетчика, выход которого соединен с входомблока индикации. 2кодов, при этом информационный входустройства связан через ключ с входом интегратора, выход которого через первый аналого-цифровой преобразователь связан с первым входомблока деления кодов, шины первогои второго эталонного напряжениясоединены с соответствующими входами блока вычитания, выход которогочерез второй аналого-цифровой преобразователь связан с вторым входомблока деления кодов 2 .Недостаток известного устройствазаключается в ограниченном диапазоне измерения показателя экспоненциальной функции и в низкой точности вычислений.Цель изобретения - расширение области применения устройства за счетувеличения диапазона изменения показателя степени,Поставленная цель достигаетсятем, что в устройство для вычисления показателя экспоненциальной функции, содержащее первый и второй поро-.говые элементы, первый В 5-триггер,причем первые входы первого и второго пороговых элементов соединеныс информационным входом устройства,второй вход первого порогового элемента соединен со входом первого эталонного напряжения устройства, входвторого эталонного напряжения кото104367 рого соединен со вторым входом второго порогового элемента, дополнительно введены первый и второйгенераторы одиночных импульсов,второй Р 5-триггер, три элемента И,счетчик, блок индикации, два сумматора, два регистра сдвига и блокуправления, содержащий генераторимпульсов распределитель импульсов, элемент, задержки, два ключа, 10коммутатор, два элемента ИЛИ, после-довательную. схему сравнения и дваэлемента И, выход генератора импуль"сов соединен со входом распределжтеля импульсов, выходы с первого по 15и-й которого, где и-разрядность ре"гистров сдвига, соединены с информа"ционными входами коммутатора, управляющий вход которого соединен совходом кода останова блока, выходы 20коммутатора через первый элемент ИЛИсоединены с первым информационнымвходом последовательной схемы сравнения, тактовый вход и вход сбросакоторой соединены соответственно с 25выходом элемента задержки и выходомгенератора импульсов, и-й выход распределителя импульсов соединен .с первыми входами первого и второго эле"ментов И, вторые входы которых сое- щдинены с выходами соответственно ра"венства и превышения эталонного кодапоследовательной схемы сравнения,выходы первого и второго элементовИ соединены с первым и вторым входами второго элемента ИЛИ, третий входкоторого соединен с выходом первогоключа, информационный вход которогосоединен с выходом генератора импульсов, выход элемента задержки соеди- .нен с информационным входом второгоключа, управляющие входы ключей соединены со входом задания режима блока управления, причем выход первогоключа блока управления соединен стактовыми входами первого и второгогенераторов одиночных импульсов,входы запуска которых соединены с выходами соответственно первого и второгопороговых элементов, выходы генера"торов одиночных импульсов соединеныс 5"выходами соответствующих Р 5-триггеров, Р-выходы которых соединеныс выходом второго элемента ИЛИ блокауправления, выход первого разрядараспределителя импульсов которогосоединен с первыми входами первого.и второго элементов И, вторые входыкоторых соединены соответственно с 7 4инверсным и прямым выходами второго Р 5-триггера инверсный и прямой выходы первого Р 5-триггера соединены соответственно с управляющими входами регистров сдвига и третьим входом первого элемента И, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, выход которого соединен с информационным входом первого регистра сдвига и первым входом третьего элемента И., второй вход и выход которого соединены соответственно с прямым выходом второго Р 5- триггера и первым входом второго сумматора, выход которого соединен с информационным входом второго регист.ра сдвига и вторым информационным входом последовательной схемы сравнения блока управления, выходы второго ключа и генератора импульсов которого содеинены соответственно с установочным входом счетчика и входами синхронизации первого и второго регистров сдвига, выходы и уста" новочные входы которых соединены соответственно со вторыми входами соответствующих сумматоров и входом логического нуля устройства, выход второго элемента И соединен со счет" ным входом счетчика, выход которого соединен со входом блока индикации.На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для вычисления показателя, экспоненциальной функции; на фиг. 2 - структурная схема блока управления,Устройство для вычисления показателя экспоненциальной функциисодержит пороговые элементы 1 и 2,генераторы 3 и 4 одиночных импульсов,Р 5-триггеры 5 и 6, сумматоры 7 и 8,регистры 9 и 10 сдвига, счетчик 11,.блок 12 индикации, блок 13 управления, элементы И 14-16, информационный вход 17, входы 18 и 19 эталонныхнапряжений. блок 13 управления ( фиг.21содержит генератор 20 импульсов,распределитель 21 импульсов, коммутатор 22, последовательную схему 23сравнения, элементы ИЛИ 24 и 25,элементы И 26 и 27, элемент 28 задержки, ключи 29 и 30, выходы 31-35 ивход 36,В качестве пороговых элементов могут быть применены компараторы.В качестве сумматоров 7 и 8 могутфприменяться любые последовательныедвоичные сумматоры.5 10436В качестве регистров 9 и 10 сдвига могут применяться любые последо" вательные запоминающие устройства.В качестве схемы 23 сравнения могут применяться любые схемы последовательного сравнения двух последовательных двоичных кодов.Устройство для вычисления показа" теля экспоненциальной функции рабо" тает следующим образом. 10В исходном состоянии на первом. выходе блока 13 управления сигналыотсутствуют, а на втором и четвертом вырабатываются сигналы, которые устанавливвют триггеры 5 и 6 и счет чик 11 в нулевое состояние. Единичный сигнал инверсного выхода триггера 5 поступает на вход управле" ния регистров 9 и 10 сдвига и обес" печивает установку их в нулевое сос О тояние, так как их входы установки данных подключены к шине логического нуля.В режиме вычисления показателя экспоненциальной функции входы 18 25 и 19 эталонных напряжений подклю- чают к источникам эталонных напряжений, задающих два уровня эталонноГо напряжения О 1 и О 2 а нд информа ционный вход 17 устройства подается аналоговый сигнал, изменяющийся по экспоненциальному закону 1 Оое , где О - начальное значение входноОго напряжения; о - показатеяь экспоненциальной функции; с - время, В исходном состоянии на выходах пороговых элементов 1 и 2 действуют сигналы логического нуля. Как только входное напряжение, действующее на информационный вход 17, достигает первого уровня эталонного напряжения О, срабатывает пороговый элемент 1, на выходе которого формируется сигнал логической единицы. Выходной сигнал порогового элементазапускает генератор 3 одиночных импульсов, на тактовый вход которого с первого выхода блока 13 управления поступает последовательность импульсов, Выходной импульс генератора 3 одиночных импульсов устанавли 50 вает триггер 5 в единичное состояние, на прямом выходе которого формируется сигнал логической единицы, снимающий блокировку элемента И 14. Последовательность импульсов, формируемая блоком 13 управления на его третьем выходе, поступает через элемент И 14 на первый вход сумматора77 б7, на второй вход .которого сдвига"ется под действием синхронизирующихимпульсов пятого выхода блока 13управления начальный нулевой двоичный код регистра 9 сдвига. За времяи тактов, где и - количество разрядов регистра 9 сдвига,на первыйвход сумматора 7 поступает один импульс, который увеличит начальныйдвоичный код на единицу и результат с выхода сумматора 7 записывается в регистр 9 сдвига под действием синхронизирующих импульсов пятого выхода блока 13 управления. В по" ,следующие такты работы устройства в регистре 9 сдвига накапливае ся двоичный код, соответствующий количеству импульсов, поступающих через каждые п тактов с третьего выхода блока 13 управления черезэлемент И 14 на первый вход сумматора 7.Так будет продолжаться до техпор, пока не сработает пороговыйэлемент 2,который срабатывает придостижении входного напряженияна входе 17 второго уровня эталонного напряжения О , В этом случаена выходе порогового элемента 2 формируется сигнал логической единицыкоторый запускает генератор 4 одиноч.ных импульсов, на тактовом входе которого действует последовательностьимпульсов первого выхода блока 13управления. Выходной сигнал генератора 4 одиночных импульсов устанавливает триггер 6 в единичное состояние, при котором сигнал инверсноговыхода триггера 6 блокирует элементИ 14, а сигнал его прямого выходаснимает блокировку элементов И 15и 16.К моменту установки триггера 6в единичное состояние в регистре 9сдвига накапливается двоичный код,значение которого пропорциональноинтервалу времени между событиямиперехода входного напряжения черезпервый и второй уровни эталонногонапряжения, Так как элемент И 14блокируется триггером 6 после установки его в единичное состояние, тодвоичный код регистра 9 сдвига цир"кулирует без изменения с выхода наинформационный вход через сумматор7, а также поступает через элементИ 15 последовательно во времени, начиная с младшего разряда, на первый7 1043 которого под действием синхронизирующих импульсов пятого выхода блока 13 управления сдвигается начальный нулевой двоичный код регистра 10 сдвига. За каждые и тактов работы устройства, где и -количество разрядов регистра 10 сдвига, выполняется один цикл суммирования двоичных кодов регистров 9 и 10 сдвига. По-" скольку выход сумматора 8 соединен 10 с информационным входом регистра 10сдвига, то в регистре 10 сдвига накапливается двоичный код, равный произведению количества циклов суммирования на величину двоичного кода регистра 9 сдвига. В это время счетчик 11 выполняет подсчет количества циклов сумиирования сумматором 8, так как через каждые а тактов на его информационном входе действует импульс третьего выхода блока 13 управления, поступающий через элемент И 16., Так будет продолжаться до тех пор, пока.двоичный код регистра 10 сдвига не достигнет заданного блоком 13 управления двоичного кода. Двоичный код регистра 10 сдвигается под действием синхронизирующих импульсов пятого выхода блока 13 управления через сумматор 8 на вход блока 13 управления, где сравнивается с заданным значением. Если двоичный код в регистре 10 сдвига достиг или превысил заданное значение, то блок 13 управления вырабатывает на втором выходе сигнал, который . сбрасывает триггеры 5 и 6 в нулевое положение, при котором элементы И 14; 15 и 16 блокируются и вычисление показателя экспоненциальной функции заканчивается. В счетчике 11 фиксируется значение показателя экспоненциальной функции, которое индицируется блоком 12 индикации.Блок 13 управления (фиг. 2),рабо" тает следующим образом.В исходном режиме с помощью ключа 30 выход 31 (первый выход) подключают к входу логического нуля, а клю" чом 29 подключают выход генератора 20 импульсов к выходу 34 (четвертый .выход) и к третьему входу элемента ИЛИ 25, через который выходные сигналы генератора 20 импульсов поступают на выход 32 (второй выход), .55Генератор 20 импульсов формирует последовательность тактовых сиг.налов частоты 1, которая поступает 677 8на выход 35 (пятый выход) .и на вход и-канального распределителя 21 импульсов. На и выходах распределителя 21 импульсов формируются и последовательностей сигналов частоты т/и, сдвинутых друг относительно друга на воемя 1/1. Каждый выходной сигнал распределителя 21 импульсов совпадает с моментом считывания соответствующего разряда двоичногокода с выходов регистров 9 и 10 сдвига. Последовательность импульсов первого выхода распределителя 21 импульсов, поступающая на выход 33 (третий выход), совпадает по времени со сдвигом первого (младшего) разряда двоичных кодов в регистрах 9 и 10 сдвига. Последовательность импульсов последнего п -го выхода распределителя 21 импульсов, поступающая на вторые входы элементов И 26 и 27, совпадает по времени со ддвигом последнего и -го разряда двоичных кодов в регистрах 9 и 10 сдвига.С помощью коммутатора 22, выполненного, например, в виде клавишного переключателя, каждый выход распре.- делителя 21 импульсов может быть под" ключен к соответствующему входу элемента ИЛИ 24, Заданное значение двоич" ного кода устанавливается на коммутаторе 22 путем коммутации выходов рас- пределителя 21 импульсов и входов элемента ИЛИ 24 в единичных разрядах задаваемого двоичного кода. После ус" тановки заданного значения двоичного кода на коммутаторе 22 на выходеэлемента ИЛИ 24 формируется последо" вательный и-разрядный двоичный код, период повторения которого равен и/т или и-тактов.В режиме вычисления показателя экспоненциальной функции с помощью ключа 30 выход 31 (первый выход) подключают через элемент 28 задерж" ки на длительность импульса генератора 20 к последнему и-му выходу рас" пределителя 21 импульсов. На выходеключа 29 действует сигнал логического нуля, который поступает на выход 34 и третий вход элемента ИЛИ 25. Схема 23 сравнивает заданный после" довательный двоичный код, действующий на выходе элемента ИЛИ 24, с текущим значением двоичного кода, сдвигаемого с выхода регистра 10 сдвига через сумматор 8 на вход 36 блока 13 управления, В случае равен" ства или превышения заданного на10 ч 3 коммутаторе 22 значения двоичного кода на первом или втором выходах .схемы 23 сравнения формируется сигнал логической единицы, который сни" мает блокировку элементов И 26 или И 27 соответственно, Импульсный сигнал последнего выхода распределителя 21 импульсов проходит через элемент И 26 или И 27 на выход элемента ИЛИ 25 и далее на выход 32 и к-входы О триггеров 5 и 6. После каждого цикла сравнения последовательных и разрядных кодов схема 23 сравнения сбрасывается в исходное состояние импульсным сигналом поступающим с Вы хода элемента 28 задержки,, Заданный двоичный код, устанавливаемый на коммутаторе 22 блока 13 управления, определяется заранее для определенных уровней эталонных напряжений 01 и 02, Соотношение для определения заданного двоичного. кода можно определить сле" дующим образом.Показатель экспоненциальной Функции опредвляем из соотношений 0 пО -0 п 02 (1) Т) Тй -С ф - К и 2 1 Г фЗ 0 где й и 2 - моменты времени срабативания пороговых элементов 1 и 2 соответственно; К - величина двоичного кода 35 накопленного в регистре 9 к моменту времени й 2, и " количество разрядоврегистров 9 и 10; " частота генератора 20 40импульсов.Из соотношений (1) и (2) получаем выражение для величины заданного двоичного кода С - 1 пГ Ч45и Ч 2еВеличина С в двоичном коде определяет заданный двоичный код. При достижении соотношенияс 6 50 СИ =.К ЪС1 схема 23,сравнения блока 13 управления останавливает процесс вычисления показателя о экспоненциальной 677 1 Офункции, величина которого фиксируется в счетчике 11.Предлагаемое устройство для вычисления показателя экспоненциальной функции позволяет существенно расширить диапазон измерения и повысить точность вычислений.Действительно, наличие аналогово" . го интегратора в составе известно" го устройства ограничивает диапазон измерения показателя экспоненциальной Функции значениями 0,01 о 10 при погрешности вычилсений -23, Это связано с тем, что для быстрыхпроцессов (постоянная времени ь с -ЫО, С ) напряжение на выходе аналогового интегратора незначительно изменяется от нулевого значения, а для медленных процессов (постояннаявремени ь = в 00 с ) время интегри,ферования превышает допустимое значение для аналогового интегратора. Ди" апазон изменения показателя экспоненциальной функции и погрешность вычислений в предлагаемом устройстве определяются частотой генератора 20 импульсов и разрядностью регистров 9 и 10 сдвига. Например, если в качестве генератора импульсов использо" вать кварцевый генератор с частотой Г 640 кГц а разрядность регистров сдвига выбрать равной й =64, то абсолютная погрешность измерения вреи менного интервала составит д Т= - :Е щ 10. Диапазон измерения времени ного интервала составляет и/ГТ 2 А хп/Г или для выбранного примера 101: ( Т21(Гфс. Этому диапазону измерения временного интервала соответствует диапазон измерения показателя экспоненциальной Функции, начиная. со значениями=100 с при относительнойДТ 100погрешности У- т+ат -"% и до значения 010 оспри относительной погрешности 10 4, которое практически снимает ограничения на вычисление показателя экспоненциальной Функции для медленных процессов,1043677 ставительхред И.Ие Зоринлева Корректор А,Повх Редактор Н.нгоро аказ 7340/53 иал ППП "Патент", г, Ужгород,ул, Проектная Тираж 706 П ВНИИПИ Государственного комитета по делам изобретений и открыт 035, Москва, Ж, Раушская наб, дписноеСССРйд. 4/5